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Hobkolbenmaschine mit exzentrischer Nachführung Die Erfindung betrifft
eine Hubkolben-Kraft- oder Arbeitsmaschine mit einem als Erzenterantrieb ausgebildeten
Nachführgetriebe zur Überfuhrung der geradlinig hin- und hergehenden Bewegung in
eine kreisende Bewegung, wobei auf einer exzentrisch umlaufenden Welle Hilfsexzenterscheiben
angeordnet sind.
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Die meisten der bisher bekannt gewordenen Hobkolben-Bauarten lassen
sich nicht vollstandig statisch und dynamisch auswuchten, ganz gleich, ob es sich
um Rethen- oder Sternbauweise handelt. Es können ober nur die Kurbelwelle und die
anteiligen drehenden Massen der Pleuelstange durch Gegengewichte an den Wangen der
Kurbelwelle exakt ausgewuchtet werden.
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auch bei der DT-OS 2216 109 ist dieses Ziel trotz paarweiser Anordnung
der Zylinder und Vermeidung der hin- und herschwinenden Pleuelstange noch nicht
erreicht. Die Pleuelstange wird dadurch vermieden, daß die beiden Kolben eines Zylindepaares
durch ein Joch verbunden sind, in de eine Hilfsexzenterscheibe drehbar gelagert
ist, die wiederum drehbar auf einem 3apfen der Kurbelwelle sitzt.
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Erstmals wurde in der deutschen Patentanmeldung 2424 o92 eine voll
ausgewuchtete Hubkolbenmaschine beschrieben, bei der die in einer Richtung geradlinig
beweglichen Teile des Nachfuhrge triebes in ihrer Gesamtmasse den Massen der in
der anderen Richtung geradlinig beweglichen Teile entsprechen und in zwei Hälften
gespalten sind, die in symmetrischer, axialer Versetzung zu den in der anderen Richtung
beweglichen Teilen angeordnet sind, und bei der der Gesamtschwerpunkt aller hin-
und hergehenden Massen in die Mittelachse des exzentrischen Kurbelzapfens der Triebwelle
gelegt und durch externe Massen um die Triebwerksachse statisch und dynamisch auswuchtbar
ist. Damit kann das Problem der vollkommenen Auswuchtung von Hubkolbenmaschinen
jeder
Art als vo Prinzip her gelöst betrachtet werden.
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In der Praxis haben jedoch die mit auf einem Kurbelzapfen drehbar
gelagerten Kilfsexzenterscheiben versehenen Konstruktionen,ob sie nun vollständig
auswuchtbar sind oder nicht, große Schwierigkeiten bereitet, und zwar haup-tsächlich
wegen der bisher unvermeidlichen Drehbewegung zwischen ETilfsexzenterscheibe und
Kurbelzapfen. Diese Lagerstelle ist räumlich außerordentlich beschränkt, zur Kühlung
der Lager müssen besondere Anstrengungen unternommen werden und die Schmiermittelzufuhr
ist äußerst problematisch.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die Lagerung des Kolbens und
der umlaufenden Teile des Nachführgetriebes so zu verbessern, daß die erwähnten
Schwierigkeiten entfallen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
die Hilfsexzenterscheiben torsionsfest auf einer exzentrisch umlaufenden Welle sitzen
und diese Welle exzentrisch zur Maschinenmittellinie drehbar gelagert ist.
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Darnit wird die bisher auch bei vollständig ausgewuchteten Hubkolbenmaschinen
verwendete feste Kurbelwelle mit einer darauf drehbar angeordneten Hilfsexzenter,scheibe
ersetzt durch eine dem Kurbelzapfen entsprechende exzentrisch umlaufende Welle,
die drehfest mit der darauf angeordneten Hilfsexzenterscheibe verbunden ist, dafür
aber drehbar in seitlichen Exzenterlagerscheiben gelagert ist, welche kreisförmig
ausgebildeten Kurbelwangen entsprechen.
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Bei einer Hubkolbenmaschine gemäß der Erfindung wird also die gegenläufige
Drehbewegung um den Kurbelzapfen herum aus dem Kolbenbereich herausgenommen und
auf seitlich versetzte exzentrische Lagerstellen verlagert. Durch diese räumliche
Trend nung entfallen die bisherigen Beschränkungen bezüglich der Lagerabmessungen,
d,h. die Lager werden freijimensionierbar, weiterhin entfällt die Wärmezufuhr zum
Lager und schließlich bestehen keine Probleme mehr bei der Schmiermittelzufuhr zu
den Lagern.
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Erst aufgrund der Erfindung kann der Außendurchmesser der Pilfsexzenterscheibe
dessen Abmessung durch den Hub wesentlich beeinflußt wird und der bei wichtigen
Anwendungsfällen kritisch ist, so weit reduziert werden, daß ein praktischer Einsatz
des bekannten Prinzips der vollständigen Auswuchtung mit Hilfe einer Hilfsexzenterscheibe
und Zahnradnachführung möglich wird.
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Bei einer bevorzugten AusführunFsform der Erfindung ist jede Lagerstelle
der exzentrisch umlaufenden clle in je einer Exzenterlagerscheibe angeordnet Vorteilhafterweise
ist mindestens eine der Exzenterlagerscheiben als zur Maschinenhauptachse zentrische
Welle fortgesetzt.
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Bei eier weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht die Tachführung
aus mit zwei in unterschiedlichen Richtungen in Geradführungen laufenden Teilen,
von denen die eine it der Führung der Kolben im Zylinder identisch ist, wobei die
jeweils in einer Richtung laufenden Teile drehbar auf ITilfsexzenterscheiben angeordnet
sind, die wiederum drehfest mit der exzentrisch urllaufenden volle verbunden sind.
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Bei einer anderen erfindungsgemäßen Ausführung erfolgt die Nachführung
über ein Zahnradgetriebe, dessen Ritzel einen Teilkreisradius gleich der Exzentrizität
der exzentrisch umlaufenden Welle aufweist und auf dieser drehfest angeordnet ist,
und bei dem das Ritzel mit einem gehäusefesten Innenrad mit doppeltem Teilkreisradius
kämmt.
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Bei einer bevorzugten Ausführung wird die erfindungsgemäße Maschine
in an sich bekannter Weise über die Exzenterlagerscheiben und Hilfsexzenterscheiben
statisch und dynamisch ausgewuchtet.
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Bei einer Weiterentwicklung des Erfindungsgedankens werden mehrere
Hubkolben oder Hubkolbenpaare vorgesehen.
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Schließlich ist es für bestimmte Anwendungsfälle von Vorteil wenn
auf der exzentrisch umlaufenden Achse Ölspritzscheiben vorgesehen werden.
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Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt. Sie werden im folgenden erläutert.
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Einander entsprechende Teile sind in den Figuren gleich bezeichnet.
Es zeigt Fig. 1 in stark vereinfachter Form eine Doppelkolbenmaschine gemäß der
Erfindung, Fig.2 ebenfalls in stark vereinfachter Form eine erfindungsgemäße Einkolbenmaschine
mit Kolbennachführung mittels Ritzel und Innenrad, Fig.3 in schematischer Form eine
erfindungsgemäße Hubkolbenmaschine, bei der die Kolbennachführung mittels Geradführungen
erfolgt, Fig.4 einen Längsschnitt durch das-Ausführungsbeispiel einer Hubkolbenmaschine
nach der Erfindung mit Zahnradnachführung, Fig.5 einen Längsschnitt durch ein anderes
Beispiel einer erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine mit Geradführungen als Kolbennachführung.
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Fig.1 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgem&ßen Hubkolbenmaschine,
Es ist als Beispiel eine Doppelkolbenmaschine gezeigt, aber in Fig.1 wie in allen
anderen Zeichnungen ist der Erfindungsgedanke ohne weiteres auf eine Einzylindermaschine
oder eine Mehrzylindermaschine mit beliebiger Anordnung der Zylinder übertragbar,
ohne daß es dazu mehr als den bekannten Stand der Technik bedurfte.
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Die beiden Kolben K1 und K2 sind fest über Pleuel 3 und 4 mit einem
Joch 5 und damit untereinander verbunden. Die beiden
Kolben können,xvie
angedeutetXin den gehäusefesten Zylindern hin- und hergleiten. Im Joch 5 ist eine
Hilfsexzenterscheibe HE drehbar gelagert. In ihr sitzt drehfest und außermittig
eine exzentrisch umlaufende Welle 6. Der exzentrische Abstand der Welle 6 von der
Mitte der Hilfsexzenterscheibe HE ist gleich ihrem exzentrischen Abstand von der
Maschineninittellinie. In den Figuren 1, 2 und 3 ist der exzentrische Abstand jeweils
mit E gekennzeichnet.
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Die exzentrisch umlauf ende Welle 6 ist in Exzenterlagerscheiben EL1
und EL2 drehbar gelagert. Die beiden Exzenterscheiben sind in axialer Richtung als
Wellenstümpfe 9 und 10 fortgesetzt und bei 7 und 8 im Gehäuse drehbar gelagert.
Statt der gezeigten Lagerung der Wellenstümpfe 9 und 10 in Lagern 7 und 8 ist es
ohne weiteres möglich, die Exzenterlagerscheiben ELl und EL2 oder eine davon auf
ihrem Umfang direkt im Gehäuse zu lagern.
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In Fig.1 ist angedeutet, daß das Drehmoment über Wellenstumpf 9 aufgebracht
oder abgenommen wird. Selbstverständlich kann auch eine der beiden Exzenterlagerscheiben
EL1 1 und EL2 als Riemenscheibe oder Kettenrad ausgebildet werden und Antrieb oder
Abtrieb hierüber erfolgen. Die erfindungsgemäße Maschine funktioniert dann folgendermaßen:
Uber Wellenstumpf 9 soll als Beispiel ein Drehmoment aufgebracht werden. Dadurch
wird Exzenterlagerscheibe EL1 gedreht und damit die exzentrisch umlaufende Welle
6 um die Maschinenmittellinie herum tangential ausgelenkt. Dies führt dazu, daß
Hilfsexzenterscheibe HE in Joch 5 gedreht wird und zwar gegenläufig zu Scheibe EL1.
Da bei der in Fig.1 gezeigten Stellung durch diese Drehung Welle 6 relativ zu Joch
5 nach oben bewegt wird> andererseits Welle 6 relativ zur Maschinenmittellinie
nach unten bewegt wird, mUssen sich die in den Zylindern geradlinig geführten Kolben
kr und K2 nach unten bewegen. Eine Auslenkung von Pleuel 3 und 4 findet nicht statt.
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Welle 6 ist in Exzenterlagerscheibe EL2 ein weiteres Mal drehbar gelagert,
um eine beidseitige Lagerung zu erreichen. EL2 vrird gleichsinnig mit t'1 gedreht.
Nur Welle 6 mit Hilfsexzenterscheibe HE laufen gegensinnig um. Selbstverständlich
ist auch eine einseitige Lagerung von Welle 6 möglich, wenn nämlich Exzenterlagerscheiben
ELl und EL2 auf einer Seite von Joch 5 angeordnet sind. Dies ist ohne weiteres möglich,
wenn die in diesem Falle zwischen EL1 und HE zu denkende Scheibe EL2 an ihrem äußeren
Umfang im Gehäuse drehbar gelagert ist.
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In Fig.2 ist dargestellt, wie die Drehung von Welle 6 und Hilfsexzenterscheibe
HE gegenüber Exzenterlagerscheiben ELl und EL2 durch eine Zahnradnachführung unterstützt
werden kann.
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In diesem Beispiel ist eine Einzylindermaschine gezeigt, wobei eine
zusätzliche Geradführung von Kolben K1 durch Lager 11 erreicht wird, in dem Pleuel
4 hin- und hergleiten kann. Abgesehen von der Einführung von Lager 11 statt Kolben
K2 ist Fig.2 funktionsmäßig vergleichbar mit Fig.1.
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Es Xst jedoch zusätzlich eine Zahnradnachführung vorgesehen, welche
aus Ritzel 12 und Innenrad 13 besteht. Ritzel 12 sitzt drehfest auf Welle 6. Sein
Teilkreisradius ist gleich der Exzentrizität E, Es kämmt mit dem gehäusefesten Innenrad
13, dessen Teilkreisradius 2E beträgt. Das Ritzel 12 rollt bei tangentialer Drehbewegung
der exzentrish umlauf enden Welle 6 um die Maschinenmittellinie im Innenrad 13 gegenläufig
zur Antriebsrichtung ab, Wenn das Ritzel aus der in Fig.2 dargestellten obersten
Stellung in seine unterste Stellung gerollt ist, hat es gerade eine halbe Umdrehung
ausgeführt, so daß nun die Hilfsexzenterscheibe HE ebenfalls um 180° gedreht ist
und Joch 5 seinen untersten Totpunkt erreicht hat. Es ist also durch Ritzel 12 und
Innenrad 13 an der Funktion der erfindungsgemäßen Maschine von Fig.1 nichX geändert,
diwe ohne die Zahnradnachführung vollkommen gleich arbeitet. Die Zahnradnachführung
12, 13 ist nur dann von Bedeutung, wenn die Ubertra gung des Drehmoments über die
Lager von Welle 6 in Exzenterlagerscheiben EL1 und EL2 Schwierigkeiten bereiten
sollte, oder sonst die Drehbewegung der-mit Welle 6 rotierenden Teile unterstUtzt
werden soll.
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Fig.3 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
IIubkolbenmaschine. Ihr Aufbau entspricht dem der bekannten statisch und dynamisch
voll auswuchtbaren Hubkolbenmaschine nach DT-OS 2424 o92. Dabei wird die Nachführung
der geradlinigen Bewegung des Kolbens Kl zusätzlich zu den in Fig.1 gezeigten Mitteln
durch senkrecht dazu angeordnete Geradführungen 33, 34 und 43, 44 unterstützt, welche
fest rnit den Jochen 35 bzw. 45 verbunden sind. In den Jochen 35, 45 ist Jeweils
eine Hilfsexzenterscheibe HE3 bzw. HE4 drehbar gelagert, die außerdem mit der exzentrisch
umlaufenden Welle 6 drehfest verbunden sind. Durch die Einführung der zusätzlichen
Geradführungen 33, 34 und 43, 44 ändert sich die Funktion der Maschine gegenüber
Fig.1 in keiner Weise. Es wird nur der Ablauf der gegenläufig drehenden Bewegung
von Welle 6 in Exzenterlagerscheiben EL1 und EL2 unterstützt, wie dies in FlgZ durch
Ritzel 12 und Innenrad 13 gezeigt wurde.
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Es sei betont, daß nicht nur Maschinen nach Fig.3 voll statisch und
dynamisch auswuchtbar sind, sondern a;uch'diejenigen, die schematisch in Fig.1 und
Fig.2 dargestellt sind. In jedem Fall kann der Schwerpunkt der hin- und hergehenden
Massen in die Mittellinie der exzentrisch umlaufenden Welle 6 verlegt und diese
Umwucht durch weitere Massen um die Maschinanhauptachse statisch und dynamisch ausgewuchtet
werden.
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In Fig.4 ist der Längs schnitt einer Vierzylindermaschine gezeigt,
bei der Je zwei Kolben K1, K2 und K21, K22 zu einem gegenüberliegenden Paar zusammengefaßt
sind. Die Kolben sind über Pleuel 3, 4 und 23, 24 starr mit Joch 5 bzw 25 verbunden.
In den Jochen sind Hilfsexzenterscheiben HEI bzw. HE2 angeordnet, die wiederum torsionsfest
mit der exzentrisch umlaufenden Welle 6 verbunden sind. Die Welle 6 ist beidseitig
drehhend in Exzenterlagerscheiben ELl und EL2 gelagert. EL1 ist an ihrem Umfang
über Lager 7 im Gehäuse gelagert. EL2 ist dagegen zu einem Wellenstumpf lo verlängert,
welcher Uber Lager 8 im Lagerbock 19 gelagert ist.
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Zwischen den beiden Kolbenpaare 1, K2 und K3, K4 sind zur Zylinderachse
senkrecht stehende Geradführungen 33, 34 vorgesehen, auf denen ein Joch 35 liin-
und hergleiten kann. In Joch 35 ist eine Hilfsexzenterscheibe HE3 drehbar gelagert,
welche wiederum drehfest mit der exzentrisch umlsufenden Welle 6 verbunden ist.
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ts ist leicht zu erkennen, daß die Funktionsweise der in Fig.4 gezeigten
@ maschine dem Schema der Fig.3 entspricht, wobei jedoch die Zahl der Kolben und
die der senkrecht zur Zylinderachse stehenden Geradführungen abgewandelt wurde.
Die Maschine der Fig.4 würde auch wie das Schema von Fig. 1 ohne die zusätzlichen
Nachführungen 33, 34, 35, HE3 einwandfrei funktionieren.
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In Fig.5 ist schließlich noch eine erfindungsgemäße Einzylindermaschine
im Längsschnitt gezeigt. Sie entspricht dem in Fig.2 gezeigten Schema, ausgenommen,
daß auf die zusätzliche Geradführung über Pleuel 4 und Lager 11 verzichtet wurde.
Es soll sich um einen Motor handeln.
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Die vom Kolben abgegebene Kraft wird über Joch 5 auf die darin gelagerte
Hilfsexzenterscheibe HE übertragen. Die Hilfsexzenterscheibe ist drehfest mit der
exzentrisch umlaufenden Welle 6 verbunden. Außerdem trägt sie dreh fest Ritzel 12,
das mit dem gehäusefesten Innenrad 13 kämmt. Es ist selbstverständlich, daß die
Teile 6, 12 und HE aus einem Stück hergestellt werden können, wodurch die Durchbohrung
des Ritzels vermieden wird.
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Das von Joch 5 auf die Hilfsexzenterscheibe übertragene Drehmoment
führt zu einem Abrollen des Ritzels 12 im Innenrad 13.
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Dadurch wird über die Lagerstellen von Achse 6 in Exzenterlagerscheiben
nl und EL2 ein um die Maschinenhauptachse wirkendes Drehmoment erzeugt und die Exzenterscheiben
EL1 und EL2 gegenläufig zum Ritzel 12 gedreht. Wie schon erwähnt, kann auf die Nachführung
durch Ritzel 12 und Innenrad 13 verzichtet
werden. In diesem Fall
könnte jedoch die zweite Lagerung 4, 11 von Joch 5 wünschenswert sein, die in Fig.2
zu sehen ist.
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Falls es für die Anwendung der Maschine vorteilhaft ist, können auf
Welle 6 Ölspritzringe angeordnet werden, welche das Schmieröl der Lagerstellen in
den Exzenterscheiben ELl und EL2 ablenken, so daß es von den Zylindern ferngehalten
wird.